Сайтът все още се разработва и може да има грешки и неточности. Ако забележиш такава, пиши ни на ninelibera@gmail.com.

Работа, енергия, мощност

🍺 През 1840-те години пивоварът от Манчестър Джеймс Прескот Джаул прави опит, който на пръв поглед е скучен: падащи тежести въртят лопатки в съд с вода. Водата се загрява – но само с части от градуса, и Джаул мери с изключително точни термометри. Изводът му е смел: работата и топлината са едно и също нещо – енергия, която само сменя формата си. Числото, което получава за „цената“ на една калория в механична работа, е близко до днешните 4,19 J. Разказва се, че дори на сватбеното си пътешествие той мерил температурата на водата над и под един водопад. Днес единицата за енергия носи неговото име.

1. Механична работа

В ежедневието „работа“ е всичко, от което се уморяваш. Във физиката работа има само когато сила премества тяло – и важна е само частта от силата по посока на преместването.

О

Работа на постоянна сила

W=Fscos⁡αW = Fs\cos\alpha, където α\alpha е ъгълът между силата и преместването. Единицата е джаул: 1 J=1 N⋅m1\ \mathrm{J} = 1\ \mathrm{N \cdot m}. При α<90∘\alpha < 90^\circ работата е положителна, при α=90∘\alpha = 90^\circ е нула, а при α>90∘\alpha > 90^\circ – отрицателна (например работата на триенето).

Пример

Дете тегли шейна със сила 50 N по въже, което сключва 30° с хоризонта, и я премества на 20 m. Каква работа извършва?

  1. W=Fscos⁡α=50⋅20⋅cos⁡30∘≈50⋅20⋅0,866≈866 JW = Fs\cos\alpha = 50 \cdot 20 \cdot \cos 30^\circ \approx 50 \cdot 20 \cdot 0{,}866 \approx 866\ \mathrm{J}
  2. Вертикалната част от силата само „олекотява“ шейната – тя не върши работа.

Ако силата се мени по пътя, работата е лицето под графиката F(s)F(s) – точно както преместването е лицето под v(t)v(t) (виж Интеграли). Така ще намерим енергията на пружината.

2. Кинетична енергия

Т

Теорема за кинетичната енергия

Тяло с маса mm и скорост vv има кинетична енергия Ek=mv22E_k = \frac{mv^2}{2}. Работата на всички сили, действащи на тялото, е равна на промяната на кинетичната му енергия: W=Ek2−Ek1W = E_{k2} - E_{k1}.

Теоремата следва от (виж Закони на Нютон): W=Fs=masW = Fs = mas, а от праволинейното движение знаем, че as=v22−v122as = \frac{v_2^2 - v_1^2}{2}. Затова расте с квадрата на скоростта – колата трябва да „изхаби“ четири пъти повече енергия.

Пример

Кола с маса 1000 kg се движи с 20 m/s. Каква е кинетичната ѝ енергия и каква средна сила на триене я спира на 40 m?

  1. Ek=1000⋅2022=200 000 J=200 kJE_k = \frac{1000 \cdot 20^2}{2} = 200\,000\ \mathrm{J} = 200\ \mathrm{kJ}
  2. Работата на триенето е −F⋅40=0−200 000-F \cdot 40 = 0 - 200\,000
  3. F=200 00040=5000 NF = \frac{200\,000}{40} = 5000\ \mathrm{N}

3. Потенциална енергия

Т

Потенциална енергия

Тяло на височина hh над избрано нулево ниво има потенциална енергия Ep=mghE_p = mgh – толкова работа ще извърши силата на тежестта, ако тялото падне до нулевото ниво. Деформирана пружина има Ep=kx22E_p = \frac{kx^2}{2}, където kk е коефициентът на еластичност, а xx – деформацията.

Нулевото ниво избираме ние – значение има само разликата в потенциалната енергия. Силата на пружината расте линейно, F=kxF = kx, затова работата ѝ е лицето на триъгълник: 12⋅x⋅kx=kx22\frac{1}{2} \cdot x \cdot kx = \frac{kx^2}{2}.

01,252,53,755h, mh = 2,04 m0,050,10,150,250100150200x, mF, N2 J
t = 0 s
E = kx²/2 =2 Jv =6,3 m/sh =2,04 m

Двойно по-силно свиване дава 4 пъти повече енергия – и 4 пъти по-голяма височина.

💡 Силата на пружината расте с деформацията (F = kx), затова работата ѝ е лицето на триъгълника под графиката – kx²/2. Тази енергия става кинетична (mv²/2), а после потенциална (mgh). Пренебрегваме съпротивлението на въздуха и малката височина, с която топчето се издига, докато пружината се разпуска.

Пример

Пружина с k=200 N/mk = 200\ \mathrm{N/m} е свита с 10 cm. Колко енергия е натрупана в нея?

  1. x=0,1 mx = 0{,}1\ \mathrm{m}
  2. E=kx22=200⋅0,012=1 JE = \frac{kx^2}{2} = \frac{200 \cdot 0{,}01}{2} = 1\ \mathrm{J}
  3. Ако я свием двойно повече (20 cm), енергията става 4 J.

4. Закон за запазване на енергията

Т

Запазване на механичната енергия

Ако върху тялото работят само сили като тежестта и еластичността (без триене и съпротивление), сумата Ek+EpE_k + E_p остава постоянна. Енергията само преминава от една форма в друга.

Това прави много задачи изненадващо лесни: скоростта на дъното на пързалка с височина hh е v=2ghv = \sqrt{2gh} – независимо от формата на пързалката и от масата. Със същата идея се намира и скоростта, с която ракета трябва да напусне Земята (виж Орбити и скорости).

Пример

Дете се спуска по пързалка, висока 5 m. Каква е скоростта му в долния край, ако триенето е пренебрежимо?

  1. mgh=mv22⇒v=2ghmgh = \frac{mv^2}{2} \Rightarrow v = \sqrt{2gh}
  2. v=2⋅9,81⋅5≈9,90 m/sv = \sqrt{2 \cdot 9{,}81 \cdot 5} \approx 9{,}90\ \mathrm{m/s} (около 36 km/h) – затова истинските пързалки имат триене!
Т

Триене и топлина

Силата на триене върши отрицателна работа и механичната енергия намалява. Тя не изчезва – превръща се в топлина: Q=Fтр⋅sQ = F_{\text{тр}} \cdot s. Пълната енергия (механична плюс топлина и всички други форми) винаги се запазва.
хълм 24 m32 mпотенциалнапълна енергия 158 kJ
t = 0 s
v =7 km/hEₖ =1 kJEₚ =157 kJQ =0 kJ

Без триене енергията стига – пусни и провери.

💡 Количката (500 kg) тръгва от 32 m с начална скорост v₀. Без триене сумата Eₖ + Eₚ е постоянна и количката се люлее вечно; с триене топлината расте, докато количката спре в някоя долина. Моделът е опростен – триенето е μmg cos α, без влиянието на кривината.

5. Мощност и коефициент на полезно действие

О

Мощност

Мощността показва колко бързо се извършва работа: P=WtP = \frac{W}{t}, единица ват (1 W=1 J/s1\ \mathrm{W} = 1\ \mathrm{J/s}). При движение с постоянна скорост vv под действие на сила FF: P=FvP = Fv. Метричната конска сила е 1 к.с.≈735,5 W1\ \text{к.с.} \approx 735{,}5\ \mathrm{W}.

Сметката за се плаща в киловатчасове: 1 kWh=1000 W⋅3600 s=3,6 MJ1\ \mathrm{kWh} = 1000\ \mathrm{W} \cdot 3600\ \mathrm{s} = 3{,}6\ \mathrm{MJ}. Конската сила е въведена от Джеймс Уат в края на XVIII век, за да сравнява парните си машини с конете, които те заменят; неговата стойност (около 746 W) е малко по-голяма от метричната.

О

Коефициент на полезно действие (КПД)

Никоя машина не превръща цялата получена енергия в полезна работа – част от нея става топлина. η=WполWизр=PполPизр<1\eta = \frac{W_{\text{пол}}}{W_{\text{изр}}} = \frac{P_{\text{пол}}}{P_{\text{изр}}} < 1, често в проценти.

Пример

Асансьор вдига 800 kg (кабина с хора) на 30 m за 20 s. Каква полезна мощност развива? Каква мощност консумира двигателят, ако КПД е 80%?

  1. W=mgh=800⋅9,81⋅30=235 440 JW = mgh = 800 \cdot 9{,}81 \cdot 30 = 235\,440\ \mathrm{J}
  2. Pпол=235 44020≈11 800 W=11,8 kWP_{\text{пол}} = \frac{235\,440}{20} \approx 11\,800\ \mathrm{W} = 11{,}8\ \mathrm{kW}
  3. Pизр=11,80,8≈14,7 kWP_{\text{изр}} = \frac{11{,}8}{0{,}8} \approx 14{,}7\ \mathrm{kW}
🏃9 mLED лампа – 10 Wлаптоп – 50 Wкрушка с нажежаема жичка – 60 Wти – 530 W1 конска сила – 736 Wпрахосмукачка – 1500 Wчайник – 2000 W
W = mgh =5,3 kJP = W/t =530 W=0,72 к.с.храна ≈5,1 kcal

Мощността ти стига за 8 крушки по 60 W.

💡 Един етаж е около 3 m. Работата срещу тежестта зависи само от масата и височината, а мощността – и от това колко бързо се качваш. Тялото изразходва около 4 пъти повече енергия, отколкото е механичната работа, защото мускулите имат КПД около 25%; останалото става топлина.

6. Тренажор

Пресметни исканата величина. Десетичните отговори въвеждай като 0,5.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0
W=600 J,t=15 sW = 600\ \mathrm{J}, \quad t = 15\ \mathrm{s}

Мощност: P=? WP = ?\ \mathrm{W}

7. Енергията около нас

0 / 6

🎢 Влакче в увеселителен парк

Количка на влакче тръгва почти от покой от височина 40 m. Каква е скоростта ѝ в най-ниската точка (на нивото на земята), ако пренебрегнем триенето? Дай отговора в km/h.

⛷️ Скиор

Скиор с маса 70 kg слиза по писта с денивелация 100 m. В долния край скоростта му е 20 m/s. Колко енергия се е превърнала в топлина (триене в снега и съпротивление на въздуха)? Дай отговора в kJ.

🏋️ Щанга

Щангист вдига щанга от 100 kg на височина 2 m. Каква работа извършва срещу силата на тежестта?

🚴 Колоездач

Колоездач развива мощност 250 W и се движи с постоянна скорост 10 m/s (36 km/h). Колко е съпротивителната сила (основно на въздуха)?

🍫 Шоколад и стълби

В 100 g шоколад има около 530 kcal (1 kcal = 4184 J). Колко MJ е това? Колко етажа по 3 m може да изкачи човек с маса 60 kg с тази енергия, ако мускулите превръщат в работа 25% от нея?

💡 LED вместо крушка

Сменяш крушка от 60 W с LED лампа от 10 W, която свети също толкова ярко. Лампата свети по 5 часа на ден. Колко kWh спестяваш за година и колко евро, ако 1 kWh струва 0,14 €?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

8. ⚠️ Чести грешки

Работа без преместване

✗ държа тежка чанта неподвижно – върша работа

✓ механичната работа е 0, защото s=0\displaystyle s = 0 (уморяват се мускулите)

Ъгълът във формулата

✗ W=Fssin⁡α\displaystyle W = Fs\sin\alpha

✓ W=Fscos⁡α\displaystyle W = Fs\cos\alpha, α\displaystyle \alpha е между силата и преместването

Кинетичната енергия

✗ Ek=mv2\displaystyle E_k = mv^2

✓ Ek=mv22\displaystyle E_k = \frac{mv^2}{2} – и расте с квадрата на скоростта

Енергия на пружината

✗ E=kx\displaystyle E = kx

✓ E=kx22\displaystyle E = \frac{kx^2}{2}; kx\displaystyle kx е силата

Мощност и енергия

✗ чайникът консумира 2000 W ток

✓ мощността е 2000 W, а енергията за 3 min е 2 kW⋅0,05 h=0,1 kWh\displaystyle 2\ \mathrm{kW} \cdot 0{,}05\ \mathrm{h} = 0{,}1\ \mathrm{kWh}

Триенето „унищожава“ енергия

✗ при триене енергията изчезва

✓ механичната енергия става топлина; пълната енергия се запазва

9. 🎯 Бърз тест

1 / 9
✓ 0

Коя е единицата за работа и енергия в SI?

10. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Ниво В· Национален кръг

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Ниво С· Международна олимпиада

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

11. Обобщение

  • ✓ Работа: W=Fscos⁡αW = Fs\cos\alpha; при променлива сила – лицето под F(s)F(s)
  • ✓ Ek=mv22E_k = \frac{mv^2}{2}; работата на всички сили е промяната на кинетичната енергия
  • ✓ Ep=mghE_p = mgh (тежест) и Ep=kx22E_p = \frac{kx^2}{2} (пружина)
  • ✓ Без Ek+Ep=constE_k + E_p = \text{const}; с триене част от енергията става топлина Q=FтрsQ = F_{\text{тр}}s
  • ✓ Мощност P=Wt=FvP = \frac{W}{t} = Fv; 1 kWh=3,6 MJ1\ \mathrm{kWh} = 3{,}6\ \mathrm{MJ}; 1 к.с.≈735,5 W1\ \text{к.с.} \approx 735{,}5\ \mathrm{W}
  • ✓ КПД η=PполPизр<1\eta = \frac{P_{\text{пол}}}{P_{\text{изр}}} < 1

💡 Интересен факт

Ако един възрастен човек приема около 2000 kcal на ден, това са около 8,4 MJ, разпределени в 86 400 секунди – средно около 100 W. Тоест в покой ти „светиш“ с мощността на стара крушка, само че в инфрачервено. Затова в пълна зала за концерти става толкова топло: хиляда души отделят около 100 kW топлина – колкото няколко десетки печки.